Благодаря первым симуляциям, выполненным на суперкомпьютере, ученые получили новое представление об одном из наиболее загадочных явлений – поведение релятивистских струй, поступающих из черных дыр.
Продвинутые симуляции показывают, что струйные потоки постепенно меняют направленность в небе, из-за чего пространство-время втягивается во вращение черной дыры. Это поведение согласуется с предсказаниями Альберта Эйнштейна об экстремальной гравитации вблизи вращающихся черных дыр.
Понимание процесса вращения черных дыр и искажения пространства-времени вокруг них пока остается все еще туманной головоломкой. Но суперкомпьютер постепенно приближает нас к ответу.
Стремительно вращающиеся черные дыры не только поглощают материю, но и высвобождают энергию в виде релятивистских струй. Поступающие в дыру газовые и магнитные поля вращаются, формируя диск – запутанные линии магнитного поля и раскаленный газ. Черная дыра впитывает этот астрономический бульон, оставляя линии магнитного поля. Это трансформирует черную дыру в стартовую площадку, из которой энергия в виде релятивистских струй вырывается в пространство.
Выпущенные струи намного легче изучать, чем сами черные дыры. Это исследование позволяет понять, насколько стремительно меняется направление струи, а также разобраться в направленности и параметрах вращающегося диска.
Ранние модели концентрировались на выровненных дисках. В реальности они расположены под наклоном (диск вращается вокруг отдельной оси от черной дыры). Исследование подтверждает, что при наклоне диски изменяют направленность относительно черной дыры.
Ранее прецессирующие струи не могли отыскать, потому что создание 3D-модели области вокруг стремительно вращающейся черной дыры требует огромной вычислительной мощности. Именно поэтому пришлось написать первый код моделирования черной дыры, ускоренный графическими процессорами. В итоге, ученые смогли протестировать симуляции на одном из крупнейших суперкомпьютеров в мире Blue Waters.
Высокое разрешение позволило впервые убедиться, что мелкомасштабные турбулентные движения диска зафиксировались в моделях. Удивительно, но движения оказались настолько сильными, что они заставили диск откармливаться, а прецессию остановиться.
Аккреция черной дыры – невероятно сложная система, напоминающая ураган. Но процесс происходит настолько далеко, что мы не можем рассмотреть делали. Поэтому симуляции позволяют намного отчетливее понять поведение черных дыр.
Результаты моделирования повлияют на дальнейшие исследования, связанные с вращающимися черными дырами. Это также поможет разобраться в гравитационных волнах, созданных ударом нейтронных звезд и электромагнитных фейерверках. Расчеты повлияют и на интерпретацию наблюдения Телескопа Горизонтов Событий, записывающего тень сверхмассивной черной дыры в галактическом центре.
К тому же прецессия струй смогла объяснить колебания интенсивного света, происходящего из-за черных дыр. Речь идет о квазипериодических колебаниях. Впервые их заметили в 1985 году.